Luci automatiche per tunnel ferroviari modello: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo è il mio circuito preferito. Il mio plastico ferroviario (ancora in corso) ha un numero di tunnel e, sebbene probabilmente non fosse un prototipo, volevo avere le luci del tunnel che si accendessero quando il treno si avvicinava al tunnel. Il mio primo impulso è stato quello di acquistare un kit elettronico con parti e led, cosa che ho fatto. Si è scoperto che era un kit Arduino ma non avevo idea di cosa fosse un Arduino. L'ho scoperto. E questo ha portato a un'avventura di apprendimento dell'elettronica. Almeno abbastanza per fare le luci del tunnel! E senza Arduino.

Questa è almeno la mia terza versione del circuito delle luci del tunnel. Il design di base l'ho scoperto in uno dei progetti del libro Electronic Circuits for the Evil Genius 2E. Questo è un ottimo libro di apprendimento! Ho anche scoperto l'uso di chip di circuiti integrati, in particolare le porte NAND a quattro ingressi CD4011.

Passaggio 1: lo schema del circuito

Ci sono tre ingressi di segnale per il circuito delle luci del tunnel. Due sono ingressi LDR (resistenze dipendenti dalla luce) e uno è un circuito opzionale per il rilevamento di ostacoli. I segnali di ingresso di questi dispositivi sono valutati logicamente da ingressi NAND gate del CD4023 (triplo ingresso NAND Gates).

È presente un LED ad anodo comune verde/rosso (che verrà utilizzato sul pannello del display per indicare che un treno sta occupando un tunnel specifico o si sta avvicinando al tunnel). Il verde indicherà un tunnel libero e il rosso indicherà un tunnel occupato. Quando il led rosso è acceso, saranno accese anche le luci del tunnel.

Quando uno dei tre ingressi rileva una condizione di segnale, l'uscita della porta NAND sarà ALTA. L'unica condizione quando la prima uscita della porta NAND è BASSO è la singola condizione quando tutti gli ingressi sono ALTI (tutti i rilevatori alla condizione predefinita).

Il circuito include un mosfet P-CH che viene utilizzato per proteggere il circuito dall'alimentazione e dalla terra cablate in modo errato. Questo può accadere facilmente quando si cabla la scheda sotto la tabella di layout. Nelle versioni precedenti della scheda ho utilizzato un diodo nel circuito per proteggere il circuito dalla commutazione dei cavi di terra e di alimentazione, ma il diodo consumava 0,7 volt dei 5 volt disponibili. Il mosfet non fa cadere alcun voltaggio e protegge comunque il circuito se si sbagliano i fili.

L'uscita HIGH della prima porta NAND passa attraverso un diodo alla porta NAND successiva ed è anche collegata a un circuito di ritardo di tempo resistore/condensatore. Questo circuito mantiene l'ingresso HIGH alla seconda porta NAND per 4 o 5 secondi a seconda del valore del resistore e del condensatore. Questo ritardo impedisce alle luci del tunnel di accendersi e spegnersi quando l'LDR è esposto alla luce tra le auto che passano e sembra anche un lasso di tempo ragionevole poiché il ritardo darà all'ultima auto il tempo di entrare o uscire dal tunnel.

All'interno del tunnel il rilevatore di ostacoli manterrà attivo il circuito in quanto monitora anche il passaggio delle vetture. Questi circuiti di rilevamento possono essere regolati per individuare le auto a pochi centimetri di distanza e inoltre non possono essere attivati dalla parete opposta del tunnel.

Se si sceglie di non collegare il rilevatore di ostacoli all'interno del tunnel (tunnel corto o difficile) è sufficiente collegare il VCC all'uscita sul terminale del rilevatore di ostacoli a 3 pin e questo manterrà un segnale ALTO su quell'ingresso del gate NAND.

Due porte NAND vengono utilizzate per consentire l'implementazione di un luogo per il circuito RC. Il condensatore viene alimentato quando la prima porta NAND è ALTA. Questo segnale è l'ingresso alla seconda porta NAND. Quando la prima porta NAND va BASSO (tutto azzerato) il condensatore mantiene il segnale alla seconda porta NAND ALTO mentre si scarica lentamente attraverso il resistore da 1 10 m. Il diodo impedisce al condensatore di scaricarsi come un dissipatore attraverso l'uscita della porta NAND uno.

Poiché tutti e tre gli ingressi della seconda porta NAND sono collegati insieme, quando l'ingresso è ALTO l'uscita sarà BASSO e quando l'ingresso è BASSO, l'uscita sarà ALTA.

Quando l'uscita è ALTA dal secondo NAND Gate, il transistor Q1 viene acceso e questo accende il led verde del led a tre fili rosso/verde. Anche Q2 è attivato, ma questo serve solo a tenere spento Q4. Quando l'uscita è LOW, Q2 viene spento, il che provoca l'accensione di Q4 (e anche lo spegnimento di Q1). Questo spegne il led verde, accende il led rosso e accende anche i led della luce del tunnel.

Passaggio 2: immagini della luce del tunnel

La prima immagine sopra mostra un treno che entra nel tunnel con il LED in testa acceso.

La seconda immagine mostra un LDR incorporato nel binario e nella zavorra. Quando il motore e le auto viaggiano sull'LDR, proiettano un'ombra sufficiente per attivare l'accensione dei LED del tunnel. C'è un LED a ciascuna estremità del tunnel.

Passaggio 3: divisore di tensione del gate NAND

Gli LDR creano individualmente un circuito divisore di tensione per ciascuno degli ingressi alle porte NAND. I valori di resistenza dell'LDR aumentano al diminuire della quantità di luce.

Le porte NAND determinano logicamente che le tensioni di ingresso di 1/2 o maggiori rispetto alla tensione di origine sono considerate un valore ALTO e le tensioni di ingresso inferiori a 1/2 della tensione di origine sono considerate un segnale BASSO.

Nello schema, gli LDR sono collegati alla tensione di ingresso e la tensione del segnale viene presa come la tensione dopo l'LDR. Il partitore di tensione è quindi composto da un resistore da 10k e anche da un potenziometro variabile da 20k. Il potenziometro viene utilizzato per consentire il controllo del valore del segnale di ingresso. Con condizioni di luce variabili, l'LDR può avere un valore normale di 2k - 5k ohm o, se in una posizione più buia del layout, può essere 10k - 15k. L'aggiunta del potenziometro aiuta a controllare la condizione di luce predefinita.

La condizione predefinita (nessun treno in ingresso o in avvicinamento a un tunnel) ha valori di resistenza bassi per gli LDR (generalmente 2k - 5k ohm) il che significa che gli ingressi alle porte NAND sono considerati ALTI. La caduta di tensione dopo l'LDR (supponendo un ingresso di 5 V e 5 k sull'LDR e un 15 k combinato per il resistore e il potenziometro) sarà di 1,25 V lasciando 3,75 V come ingresso al gate NAND. Quando la resistenza di un LDR viene aumentata perché è coperto o ombreggiato, l'INPUT del gate NAND si abbassa.

Quando il treno passa sopra l'LDR nel binario, la resistenza dell'LDR aumenterà a 20k o più (a seconda delle condizioni di illuminazione) e la tensione di uscita (o ingresso al gate NAND) scenderà a circa 2,14 V, che è inferiore a 1/2 tensione di sorgente che quindi cambia l'ingresso da un segnale ALTO a un segnale BASSO.

Passaggio 4: materiali di consumo

1 - condensatore 1uf

1 - 4148 segnale diodo

5 - connettori 2p

Connettori 2 - 3p

1 - Mosfet P-ch IRF9540N (o SOT-23 IRLML6402)

3 - transistor 2n3904

2 - GL5516 LDR (o simile)

2 - resistori da 100 ohm

2 - resistenze da 150 ohm

1 - Resistenza da 220 ohm

2 - resistori da 1k

2 - resistori da 10k

Potenziometri variabili 2 - 20k

1 - Resistenza da 50k

1 - 1 - resistenza da 10 m

1 - CD4023 IC (gate NAND a doppio ingresso triplo)

1 - Presa a 14 pin

1 - rilevatore di evitamento ostacoli (come questo)

Sulla mia scheda ho usato un mosfet P-ch IRLM6402 su una piccola scheda SOT-23. Ho scoperto che i mosfet p-ch SOT-23 sono più economici del fattore di forma T0-92. Entrambi funzioneranno nel circuito poiché i pinout sono gli stessi.

Tutto questo è ancora in corso e penso che alcuni valori di resistenza o alcuni miglioramenti possano ancora essere apportati!

Passaggio 5: la scheda PCB

Le mie prime versioni funzionanti del circuito sono state realizzate su una breadboard. Quando il concetto ha dimostrato di funzionare, ho saldato a mano l'intero circuito, il che può richiedere molto tempo e generalmente ho sempre cablato qualcosa di sbagliato. La mia attuale scheda di circuito funzionante, che ora è la versione 3 e include le triple porte NAND (le versioni precedenti utilizzavano gli ingressi a doppia porta NAND CD4011), e come mostrato nel video, è una scheda a circuito stampato con file di output generati da Kicad che è la mia software di modellazione di circuiti.

Ho usato questo sito per ordinare i PCB:

Qui in Canada il costo per 5 tavole è inferiore a $3. La spedizione tende ad essere la componente più costosa. Di solito ordinerò 4 o 5 circuiti stampati diversi. (Il secondo e più circuiti costano circa il doppio dei primi 5). I costi di spedizione tipici (per posta in Canada per vari motivi) sono di circa $ 20. Avere il circuito precostruito così devo solo saldare i componenti è un grande risparmio di tempo!

Ecco un collegamento ai file Gerber che puoi caricare su jlcpcb o su uno qualsiasi degli altri produttori di prototipi di PCB.